LV16-11-STM32启动-01-STM32的启动文件

发表于 2023-06-04 分类于嵌入式开发， 01HQ课程体系， LV16-STM32开发本文字数： 5.3k 阅读时长 ≈ 19 分钟

本文主要是STM32开发——STM32启动文件的一些的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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Windows	windows11
Ubuntu	Ubuntu16.04的64位版本
VMware® Workstation 16 Pro	16.2.3 build-19376536
SecureCRT	Version 8.7.2 (x64 build 2214) - 正式版-2020年5月14日
开发板	正点原子 i.MX6ULL Linux阿尔法开发板
uboot	NXP官方提供的uboot，NXP提供的版本为uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga(使用的uboot版本为U-Boot 2016.03)
linux内核	linux-4.15(NXP官方提供)
STM32开发板	正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)

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通用

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官方网站	https://www.arm.com/	ARM官方网站，在这里我们可以找到Cotex-Mx以及ARMVx的一些文档
	https://www.st.com/content/st_com/zh.html	ST官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关文档
	https://www.stmcu.com.cn/	意法半导体ST中文官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关中文参考文档
	http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html	FatFs文件系统官网
教程书籍	《ARM Cortex-M3权威指南》	ARM公司专家Joseph Yiu（姚文祥）的力作，中文翻译是NXP的宋岩
	《ARM Cortex-M0权威指南》
	《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》
开发论坛	http://47.111.11.73/forum.php	开源电子网，正点原子的资料下载及问题讨论论坛
	https://www.firebbs.cn/forum.php	国内Kinetis开发板-野火/秉火（刘火良）主持的论坛，现也做STM32和i.MX RT
	https://www.amobbs.com/index.php	阿莫（莫进明）主持的论坛，号称国内最早最火的电子论坛，以交流Atmel AVR系列单片机起家，现已拓展到嵌入式全平台，其STM32系列帖子有70W+。
	http://download.100ask.net/index.html	韦东山嵌入式资料中心，有些STM32和linux的相关资料也可以来这里找。
博客参考	http://www.openedv.com/	开源网-原子哥个人博客
	http://blog.chinaaet.com/jihceng0622	博主是原Freescale现NXP的现场应用工程师
	cortex-m-resources	这其实并不算是一个博客，这是ARM公司专家Joseph Yiu收集整理的所有对开发者有用的官方Cortex-M资料链接（也包含极少数外部资源链接）

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STM32	STM32 HAL库开发实战指南——基于F103系列开发板	野火STM32开发教程在线文档
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SD卡

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提供了SD存储卡和SDIO卡系统规范

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这一节我们来分析一下MDK工程中的STM32启动文件。

一、启动文件

1. 启动文件简介

启动文件由汇编编写，是系统上电复位后第一个执行的程序。主要做了以下工作：

（1）初始化堆栈指针 SP=_initial_sp

（2）初始化 PC 指针 =Reset_Handler

（3）初始化中断向量表

（4）配置系统时钟

（5）调用 C 库函数 __main 初始化用户堆栈，从而最终调用 main 函数去到 C 的世界。

2. 启动文件在哪？

我是用的STM32CubeMX来生成的工程，启动文件就存在于 MDK-ARM/startup_stm32f103xe.s ，它的内容后边再分析。

3. 查找ARM汇编指令资料

学习启动代码的时候，会涉及到 ARM 的汇编指令和 Cortex 内核的指令，有关 Cortex 内核的指令我们可以参考[《CM3 权威指南》](STM32开发相关资料/01ARM参考资料/ARM Cortex-M3权威指南(中文).pdf)第四章：指令集。剩下的 ARM 的汇编指令我们可以在【MDK】→【Help】→【Uvision Help】中搜索到：

检索出来的结果会有很多，我们只需要看 Assembler User Guide 这部分即可。下面列出了启动文件中使用到的 ARM 汇编指令，该列表的指令全部从 ARM Development Tools 这个帮助文档里面检索而来。其中编译器相关的指令 WEAK 和 ALIGN 为了方便也放在同一个表格了。

二、启动文件分析

1. Stack——栈

Stack_Size	 EQU     0x400
             AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem    SPACE   Stack_Size
__initial_sp

（1）第1行：EQU，宏定义的伪指令，相当于等于，类似与C中的define。这里定义栈的大小为0x400，也就是1KB；

（2）第2行：AREA 是定义一个段，它将告诉汇编器汇编一个新的代码段或者数据段。此处定义的是栈段，没有初始化的段。STACK 表示段名，这个可以任意命名，NOINIT即不初始化，READWRITE表示可读可写，ALIGN是说段的起始地址应该是8的倍数，也就是8字节对齐；

（3）第3行：SPACE，用于分配一定大小的内存空间，单位为字节。这里指定大小等于Stack_Size，也就是开辟栈空间大小为0x400。

（4）第4行：__initial_sp是个标号，这个标号指向栈的栈顶，它紧挨着SPACE语句放置，表示栈的结束地址，即栈顶地址，栈是由高向低生长的。

栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销，栈的大小不能超过内部SRAM的大小。如果编写的程序比较大，定义的局部变量很多，那么就需要修改栈的大小。如果某一天，我们写的程序出现了莫名奇怪的错误，并进入了硬fault的时候，这时我们就要考虑下是不是栈不够大，溢出了。

2. Heap——堆

Heap_Size      EQU     0x200								;定义堆的大小 512B
                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base													;堆的起始地址
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size							;堆的大小
__heap_limit												;堆的结束地址

（1）第1行：定义堆的大小为0x200，也就是512B；

（2）第2行：AREA 是定义一个段，此处定义的是堆段，没有初始化的堆，NOINIT即不初始化，READWRITE表示可读可写，align是8字节对齐；

（3）第3行：__heap_base，表示堆的起始地址。

（4）第4行：SPACE，用于分配一定大小的内存空间，单位为字节。这里指定大小等于Heap_Size，也就是开辟堆空间大小为0x200。

（5）第5行：__heap_limit是个标号，堆的结束地址。堆是由低向高生长的，跟栈的生长方向相反。

堆主要用来动态内存的分配，像malloc()函数申请的内存就在堆上面。这个在STM32里面用的比较少。

3. 堆栈对齐

1 2	PRESERVE8 THUMB

（1）PRESERVE8：指定当前文件的堆栈按照8字节对齐。

（2）THUMB：表示后面指令兼容THUMB指令。THUBM是ARM以前的指令集，16bit，现在Cortex-M系列的都使用THUMB-2指令集， THUMB-2是32位的，兼容16位和32位的指令，是THUMB的超集。

4. 向量表

; Vector Table Mapped to Address 0 at Reset
                AREA    RESET, DATA, READONLY
                EXPORT  __Vectors
                EXPORT  __Vectors_End
                EXPORT  __Vectors_Size

（1）第2行：定义一个数据段，名字为RESET，可读。数据段放的是中断向量。

（2）第3~5行：EXPORT在程序中声明一个全局的标号，声明 __Vectors、__Vectors_End和__Vectors_Size这三个标号具有全局属性，可供外部的文件调用。如果是IAR编译器，则使用的是GLOBAL这个指令。

当内核响应了一个发生的异常后，对应的异常服务例程(ESR)就会执行。为了决定 ESR 的入口地址，内核使用了“向量表查表机制”。这里使用一张向量表。向量表其实是一个 WORD（ 32 位整数）数组，每个下标对应一种异常，该下标元素的值则是该 ESR的入口地址。向量表在地址空间中的位置是可以设置的，通过 NVIC 中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。在复位后，该寄存器的值为 0。因此，在地址 0 （即FLASH 地址0）处必须包含一张向量表，用于初始时的异常分配。要注意的是这里有个另类： 0 号类型并不是什么入口地址，而是给出了复位后 MSP 的初值。

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack 存放__initial_sp，也就是堆栈栈顶的地址
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
                DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
                DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
                DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
                DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler

                ; External Interrupts
                DCD     WWDG_IRQHandler            ; Window Watchdog
                DCD     PVD_IRQHandler             ; PVD through EXTI Line detect
				; 中间的部分省略
                DCD     DMA2_Channel3_IRQHandler   ; DMA2 Channel3
                DCD     DMA2_Channel4_5_IRQHandler ; DMA2 Channel4 & Channel5
__Vectors_End

__Vectors_Size  EQU  __Vectors_End - __Vectors

（1）__Vectors为向量表起始地址，__Vectors_End 为向量表结束地址，两个相减即可算出向量表大小。

（2）向量表从FLASH的0地址开始放置，以4个字节为一个单位，地址0存放的是栈顶地址，0X04存放的是复位程序的地址，以此类推。从代码上看，向量表中存放的都是中断服务函数的函数名，可我们知道C语言中的函数名就是一个地址。

DCD：分配一个或者多个以字为单位的内存，要求四字节对齐，并要求初始化这些内存。在向量表中，DCD分配了一堆内存，并且以ESR的入口地址初始化它们。

5. 复位程序

1	AREA \|.text\|, CODE, READONLY ;text 一般代表代码段

第1行：定义一个名称为 .text 的代码段，可读。

; Reset handler routine
Reset_Handler    PROC
                 EXPORT  Reset_Handler                 [WEAK]     
                 IMPORT  __main									 
                 IMPORT  SystemInit  
                 LDR     R0, =SystemInit			;复位子程序是系统上电后第一个执行的程序，调用 SystemInit 函数初始化系统时钟
                 BLX     R0
                 LDR     R0, =__main                ;__main 是一个标准的 C 库函数，主要作用是初始化用户堆栈，并在函数的最后调用main 函数去到 C 的世界
                 BX      R0
                 ENDP

这个复位子程序是系统上电后第一个执行的程序，调用SystemInit函数初始化系统时钟，然后调用C库函数__mian，最终调用main函数去到C的世界。

（1）第3行：[WEAK]表示是一个弱符号声明，就是告诉编译器，我这里声明的标号的优先权低于其它同名的标号，也就是说如果在工程中还有别的函数和我同名，那么你就调用和我同名的其它函数，如果没有同名的，那你就调用我。

（2）第4行：IMPORT，表示该标号来自外部文件，跟C语言中的EXTERN关键字类似。这里表示SystemInit和__main这两个函数均来自外部的文件。SystemInit()是一个标准的库函数，在system_stm32f0xx.c这个库文件总定义。主要作用是配置系统时钟，这里调用这个函数之后，单片机的系统时钟配将会被配置。__main是一个标准的C库函数，主要作用是初始化用户堆栈，并在函数的最后调用main函数去到C的世界。这就是为什么我们写的程序都有一个main函数的原因。

LDR、 BLX、 BX 是 CM4 内核的指令，可在[《CM3 权威指南》](STM32开发相关资料/01ARM参考资料/ARM Cortex-M3权威指南(中文).pdf)第四章-指令集里面查询到，具体作用见下表：

6. 中断服务程序

; Dummy Exception Handlers (infinite loops which can be modified)

NMI_Handler     PROC ; 系统异常
                EXPORT  NMI_Handler                    [WEAK]  
                B       .
                ENDP
; 中间部分省略
SysTick_Handler PROC
                EXPORT  SysTick_Handler                [WEAK]
                B       .
                ENDP

Default_Handler PROC ;外部中断
                EXPORT  WWDG_IRQHandler                [WEAK]
                EXPORT  PVD_IRQHandler                 [WEAK]
                EXPORT  RTC_IRQHandler                 [WEAK]
				; 中间部分省略

WWDG_IRQHandler
PVD_IRQHandler
RTC_IRQHandler
;中间部分省略

                B       .

                ENDP

在启动文件里面已经帮我们写好所有中断的中断服务函数，跟我们平时写的中断服务函数不一样的就是这些函数都是空的，真正的中断复服务程序需要我们在外部的 C 文件里面重新实现，这里只是提前占了一个位置而已。

如果我们在使用某个外设的时候，开启了某个中断，但是又忘记编写配套的中断服务程序或者函数名写错，那当中断来临的时，程序就会跳转到启动文件预先写好的空的中断服务程序中，并且在这个空函数中无限循环，即程序就死在这里。

B：跳转到一个标号。这里跳转到一个‘ . ’，即表示无限循环。

7. 用户堆栈初始化

ALIGN

第1行：ALIGN，对指令或者数据存放的地址进行对齐，后面会跟一个立即数。缺省表示4字节对齐。

;*******************************************************************************
; User Stack and Heap initialization
;*******************************************************************************
                 IF      :DEF:__MICROLIB       ;检查是否定义了__MICROLIB,如果定义了则条件成立。用户可以在配置软件中勾选。
				;用户栈和堆初始化,由C库函数_main来完成
                 EXPORT  __initial_sp		  ;栈顶地址
                 EXPORT  __heap_base		  ;堆起始地址
                 EXPORT  __heap_limit         ;堆结束地址

                 ELSE					

                 IMPORT  __use_two_region_memory 	  
                 EXPORT  __user_initial_stackheap   ;用户自己来初始化堆栈

__user_initial_stackheap

                 LDR     R0, =  Heap_Mem
                 LDR     R1, = (Stack_Mem + Stack_Size)
                 LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size)
                 LDR     R3, =  Stack_Mem
                 BX      LR

                 ALIGN

                 ENDIF

                 END

第4行：首先判断是否定义了__MICROLIB ，如果定义了这个宏则赋予标号__initial_sp（栈顶地址）、 __heap_base（堆起始地址）、__heap_limit（堆结束地址）全局属性，可供外部文件调用。有关这个宏我们在KEIL里面配置，具体见下图。然后堆栈的初始化就由C库函数__main来完成。

如果没有定义__MICROLIB，则插入标号__use_two_region_memory，这个函数需要用户自己实现，具体要实现成什么样，可在KEIL的帮助文档里面查询到：

（2）第15行：声明标号 __user_initial_stackheap 具有全局属性，可供外部文件调用，并实现这个标号的内容。

（3）IF、ELSE、ENDIF：汇编的条件分支语句，跟 C 语言的 if ,else 类似，END：文件结束。

三、为什么要初始化堆栈

这个嘛，我就按自己的理解先写这里，其实也不一定对，有错误的话欢迎指出，后边看到更权威的说明了，再补充。我们来看一下C语言程序的内存分布：

栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销。
堆主要用来动态内存的分配。

汇编中是不存在这些的，但是我们写的是C语言啊，即便最后也是被翻译成机器语言，也还是所以我们要想运行C语言程序的话，就需要有栈区和堆区，来存放不同的东西，C语言的运行离不开这两个区，所以我们需要在汇编中搭建好C语言的运行环境。